面向估计性能优化的网络化控制系统传感器调度

This proposal considers the sensor scheduling problem for state estimation performance in networked control systems. In a networked control system, state estimation is fundamental to controller design and its performance depends on the measurements transmission from sensors. In practical applications, communication resource may be limited and the transmission is hence constrained. It is important to ask this question: how to schedule the sensor communication such that the state estimation quality is optimized. This proposal aims to answer it. It proposes various models and considers the corresponding sensor scheduling problems. It studies the connections between the estimation performances and the scheduling strategies, with the objective to analyze the optimal schedules and further provide algorithms to solve the problems. Moreover, simulations will be done in real applications for the further study.

本项目重点研究网络化控制系统中以优化状态估计性能为目标的传感器调度问题。在网络化控制系统中，状态估计是控制器设计的基础，其精度依赖于传感器观测值的传输。而在实际应用中，传感器的通信往往受到限制（如有限能源、有限带宽等），不能实现充分的数据传输。针对这种情形，如何设计传感器的传输方案，即设计传感器的调度策略，使系统获得最优估计精度，是一个具有重要理论价值和现实意义的问题。本项目将深入研究几类不同模型中的传感器调度问题，探索系统中估计精度与调度策略之间的关系，对最优调度方案进行分析，提出高效的优化调度算法。并在理论分析的基础上，进一步搭建实际仿真平台进行实验，为理论在实际中的应用奠定基础。

本项目重点研究网络化控制系统中以优化状态估计性能为目标的传感器调度问题。一，研究了单过程、传感器和估计器模型，研究了该模型下的普通高阶系统中传感器的传输时间调度问题。我们引入了数学中的majorization理论，把原先的复杂的矩阵之间的大小比较问题转化为不同向量的majorization偏序关系比较问题，大大简化了原问题。二，研究了单过程、多传感器、单估计器模型传感器的随机调度，并在该方向取得了较为突出的成果。我们将单传感器系统的研究结果推广至多传感器系统的情形中，获得了平行于单传感器系统的一般情形的结论。三，研究了传感器网络的通信能源节省问题，其中创新地研究了传感器网络中针对动态过程的系统寿命优化问题，利用凸优化方法提出了有效的数值算法，并研究了利用事件触发机制为传感器网络设计节省的通讯问题，在保证系统的精度要求的前提下，解决如何尽量用最简易的通讯设备、最大化地降低通信频率的问题，为低成本地搭建无线传感器网络提供了一个参考方法。本项目具有理论上的重要学术价值，它是对一系列具有模型普遍性的问题进行的研究，获得了若干有意义的结果。并具有实际应用的广阔前景，可为涉及无线传感器网络、多元信息融合的工程领域提供参考和推广可能。